Modélisation de la combustion en fours rotatifs d'incinération de déchets

par Lat Grand Ndiaye

Thèse de doctorat en Génie mécanique et énergétique

Sous la direction de Bernard Baudoin.

Soutenue en 2009

à Valenciennes .


  • Résumé

    Les fours rotatifs permettent l’incinération de déchets solides, liquides ou gazeux. Afin de dimensionner au mieux leur longueur, il est nécessaire que le temps de résidence de la charge solide soit au delà du temps de réduction des particules. La rotation et l’inclinaison du four conditionnent l’écoulement et le degré de mélange de la charge solide. L’angle dynamique de repos et l’angle de descente sont des propriétés caractérisant la fluidité de la charge. Le modèle dynamique développé permet d'étudier l’influence des conditions opératoires et propriétés rhéologiques sur le temps de résidence de la charge et sur le degré de mélange, qui conditionnent par la suite les transferts de chaleur et de masse dans les fours tournants. La validation de ce modèle a été faite en comparant les résultats des simulations numériques à des mesures obtenues dans un four pilote et dans un four à échelle industrielle. Ceci a permis de proposer une relation de la vitesse axiale et surtout du temps de résidence de la phase solide selon le type de déchet utilisé et le type d’installation. Un modèle de décomposition chimique de pyrolyse-dévolatilisation de la charge a ensuite été mis en place. Les profils obtenus sont utilisés comme conditions aux limites d’une modélisation en mécanique des fluides, qui permet la modélisation de la combustion des matières volatiles. Après une analyse élémentaire sur les deux types de déchets étudiés (bois et pneu broyés), des mesures obtenues lors des campagnes d’essais ont permis d’étudier l’influence des paramètres de contrôle que sont la température de préchauffage, le débit d’air primaire et l’humidité du déchet sur l’efficacité de la combustion. Les modélisations en relation avec les données expérimentales ont permis d’identifier les différentes zones de transformation de la charge que sont le séchage, la pyrolyse-dévolatisation et la combustion des matières volatiles et du résidu carboné. Le bilan global permet une première analyse de dimensionnement du four.

  • Titre traduit

    Modelling of combustion in rotary kiln waste incinerator


  • Résumé

    Rotary kilns are effective tools for waste incineration. They offer good possibilities for treatment and energy recovery for solid, liquid or gaseous waste. In order to design at best the kiln length, it is necessary that the time scale of the waste reduction be closest to the time residence time of the particles. The rotation speed and the slope of the kiln are two operating conditions that determine the solid bed flow and the mixing efficiency. The dynamic angle of repose and the angle of descent are solid phase parameters that characterise its fluidity. The dynamic model developed studies the influence of the operating conditions and rheological properties on the residence time of the solid load and the filling degree, that have consequences on the heat and mass transfer in rotary kilns. The model has been validated through comparisons between numerical results and experimental data. Experimental measurements were made in a pilot rotary kiln and an industrial kiln. A relation for the residence time was proposed which depends on the type of waste and the kind of installation. The second part of the work deals with the development of the chemical decomposition through pyrolysis-devolatilization of the solid load. The numerical results were then used as boundary conditions for CFD simulation that enables the computation of the flow and combustion of volatile matter. After an elementary analysis of the two kinds of waste tested, which are shredded tyre and crushed wood, the experimental data have enabled the study of the influence of the controlling parameters such as the preheating temperature, the primary air flow, and the waste moisture content on the combustion efficiency and the pollutant nature. The numerical simulations and the experimental data have enabled to identify the different zones of the transformation of the solid load which are the drying, pyrolysis, devolatilization, and combustion of volatile matter and carbon residue. An overall assessment leads to a first kiln device analysis.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (197 p. )
  • Annexes : Bibliogr. p.189-197. Index. Annexes

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